北京大学

2018年7月1日起，北大生物动态光学成像中心主任、北京未来基因诊断高精尖创新中心主任——谢晓亮正式全职回到母校北大任教，担任北京大学李兆基讲席教授。

1998年，谢晓亮成为改革开放后哈佛大学聘任的第一位来自中国大陆的终身教授;2009年，他成为改革开放后第一位哈佛冠名讲席教授的中国大陆学者;他是美国国家科学院院士、美国国家医学院院士、美国艺术与科学院院士、美国物理化学和生物物理界最高奖获得者，是获得美国生命医学大奖——阿尔伯尼生物医学奖的第一位华人。

附：谢晓亮教授为北大120周年校庆撰写的纪念文章：

梦想的启航与归程——我和北大的故事

光阴似箭，岁月如梭，历经百廿沧桑，母校北京大学即将迎来120周年华诞。

我生于北大，长于北大，熟悉这里的一草一木，一山一水。从北大幼儿园、北大附小、北大附中到北京大学，我在北大度过了大部分的学生时光，与北大一起经历了中国的历史变迁，建立了无法割舍的联系。每次回到燕园，我总会感觉到一种温暖的气息，使我变得沉着和平静。对我而言，北大不仅仅是一个学校，更是一个家园;她不仅是学术的殿堂，更是我心灵的归属地。如今在美国留学工作三十余载后，我选择回到北大，与燕园再续前缘——这里既是我的人生启蒙之地，也是我的科研回归之地。

百废待兴，科学理想

1962年，我出生在风景秀丽的北大朗润园，父亲谢有畅和母亲杨骏英都是北京大学化学系教师。我幼年时期家里书香满屋，生活宁静幸福。燕园堪称世界上最美的校园，原是美英教会学校燕京大学的校址，也曾是明清皇家园林的一部分。

燕园是我儿时的乐园。春天，繁花似锦，春意满园。夏季，园子里郁郁葱葱，生机盎然，我总喜欢到未名湖畔捕捉蜻蜓，然后再将它们放归自然，观察湛蓝的天空中它们舞动的翅膀。

秋天是燕园最美的季节，银杏树叶慢慢被染黄，在红墙绿瓦前随风飞舞，绚美如画。冬天，未名湖则成为冰上乐园，孩子们可以尽情享受冰上飞驰的快乐。

然而，这样欢快的生活却在1966年戛然而止。那一年，“文化大革命”开始，学校教学活动全部停顿。作为大学老师的我父母被接二连三地卷入政治运动。我不能忘记，宁静的深夜里，朗润园邻居家的教授们被红卫兵抄家、辱骂、带走，年幼的我被恐惧逼到墙角。彼时的我尚在懵懂，只是隐隐约约感到一切都变了。后来我父亲被下放到江西五七干校参加“劳动锻炼”，完全脱离教学和科研。而母亲、弟弟和我则留在北京，不得不和父亲分离。

虽然“文化大革命”在如火如荼地进行，孩子们的世界却是单纯的。记得1969年，我刚上小学那年，父亲回到北京，在江西学得一手泥瓦木匠手艺的他，亲手为我做了一个陀螺。这个不断旋转且做工精致的陀螺引发了我的好奇心。

我用父亲的工具箱完成的第一个木工作品是杠秤——它是我人生中设计的第一个精准测量工具!此后便一发而不可收，我相继动手做出了飞机和轮船模型，甚至还做出一个音箱。就这样，我的动手能力不断提高。随着制作的项目越来越复杂，我对于科学技术的好奇心也越来越强烈。

上中学时，我又开始动手制作各种电子仪器，先后做出了超外差收音机、遥控模型轮船，并完成了一套音响。我对实验科学的兴趣正是从这一个个电子仪器开始的。从那时起，我逐渐树立了自己的人生理想——做一名科学家。

在我的高中时期，国家恢复了高考，回归正常的北大附中充满了浓厚而愉悦的学习氛围，除了学习课本上的知识和准备高考，我们还拥有丰富多彩的课外活动。我担任班长，是班上排球队的主攻手。我的同学许多是北大子弟，大家多才多艺，爱好广泛。记得当时我的同窗好友余廉，以其精湛的文笔，编写了一个展望未来的广播剧，颇受同学们的欢迎。那时的我也开始对西方古典音乐产生兴趣，不仅沉醉于艺术带给我的听觉享受，更痴迷于制造出更棒的音响。

高中时我曾写过一篇题为《圆明园》的作文。我以当时圆明园中的景色比喻在经历文化大革命浩劫之后祖国百废待兴的状况，憧憬改革开放为我们的国家、为我们年轻一代带来的美好未来。基于其贴切的寓意和爱国情怀，这篇作文被语文老师选为范文在班上传阅。

从学生时代开始，不管是写作，还是动手制作仪器，我都喜欢自己找课题和选项目。课题和项目的意义越大，难度越大，完成后就越能给我带来喜悦感。还记得那时，北大计算机所王选教授正在领导计算机汉字激光照排项目的研创，彼时就读北大附小的我与其他小朋友还曾一起帮助该项目一个一个字地人工输入数字化的字型。多年后当人们体验到世界首创激光汉字照排技术取代铅字排版的伟大时，曾作为其中一名小小参与者而产生的自豪感使我更加肯定：要做就要做这样的大事!做有意义的课题成为贯穿我之后科研生涯的习惯。

在我的中学时代，我的父母终于重新回到他们心爱的教学科研岗位。记忆中父亲潜心完成了他的《结构化学》教科书，并时常沉醉于科研突破的喜悦中，而母亲则一心扑在教学上，深受学生们的爱戴。我耳濡目染，也对教学和科研产生了浓厚的兴趣。高中毕业时，我考上了北京大学，被第一志愿的化学系录取。

治学之地，创新萌芽

1980年，我带着儿时的梦想、美好的憧憬和对知识的渴望，开启了北大本科的学习和生活。

北京大学从五四运动起一直秉承民主、科学的理念，弘扬爱国精神。八十年代初的北大学子忧国忧民，追求民主与进步，各种思想流派在校园里百花齐放，“三角地”成为那个年代北大学子心目中永恒的记忆。

北大更是治学之地，学术具有至高无上的地位。北大学子大都怀揣“科学救国”的理想。我中学时代就立志成为一名科学家，进入北大这样一片学术自由的沃土后，便开始如饥似渴地吸收专业知识。

北大使我可以在知识的海洋里尽情遨游。我主动旁听了许多其他院系开设的我感兴趣的课程，如物理系的四大力学：经典力学、量子力学、统计力学、电动力学以及无线电系的电子学课，数学系的概率统计课等等。这些知识的积累使我受益匪浅。

我的高中同窗好友余廉和我一同考入北大化学系。我们经常在课余时间进行学术讨论，探索科学问题，彼此相互鼓励。他现在是威斯康星大学麦迪逊分校药学院的教授。

大学的第一个暑假，自学计算机编程的我在北阁上机。经过苦思冥想，我发现了离子晶体的能量是一个无穷级数，需要大的计算量，于是试着写Fortran程序来计算晶体结构的能量。这个课题在现在看来也许微不足道，但对于当时学化学的我来说，第一次能用计算机解决这样一个“跨学科”问题，我喜不自胜，无比满足。

潜心专业之余，打排球是我喜爱的运动之一。作为一个排球迷，我喜欢的中国男排在我大二那年逆转制胜，进军世界杯预选赛。深受鼓舞的北大学子喊出了“团结起来，振兴中华”的口号。之后几年中国女排蝉联世界杯、世界锦标赛和奥运会“五连冠”，更加激励了北大学子奋发图强的爱国之情。这些在北大就读时的珍贵记忆一直都被我铭记在内心深处。

大四的时候，我有幸跟随化学系蔡生民教授在化学南楼做毕业论文。蔡生民教授是一个实验技术精湛的电化学家，他兴趣广泛，思维活跃，精力充沛，讲一口流利的英文，幽默感极强。他的为人和对我的学术指导对我以后的工作有很深的影响。蔡老师善于用生动而形象的语言解释复杂而抽象的概念，我当时的论文题目是用计算机来控制光电化学反应，其中用到锁相放大器，他对锁相放大器原理的解释，我仍记忆犹新。在做毕业论文的过程中我开始意识到，在仪器设备上的创新往往可以带来科学研究的突破，而我独立工作以后的科研经历也证明了这一点。

大学本科是积累专业知识的阶段，而科研不是积累知识而是创造新知识，难就难在创新。科研工作者最大的挑战就是如何发展和保持创新能力。我在北大的童年、少年和青年时期的经历，为我以后的科研生涯孕育了创新的萌芽，使得科研成为我毕生追求的目标。

本科毕业后我在北大做了一年硕士研究生。当时国内的科研水平与世界先进水平毕竟有很大差距，我打算出国深造。

我们比父辈们幸运得多，改革开放使我和许多同学得以出国留学。毕业那年，北大学子在国庆35周年天安门游行时打出了“小平您好”的横幅，那是我们发自内心的呼喊。

学术追求，济世理想

1985 年，23岁的我第一次离开北大，飞抵美国，开始了我人生的另一段旅程。我来到了加州大学圣地亚哥分校攻读博士学位，师从约翰·西蒙(John Simon)教授，学习化学动力学，用超短的皮秒(10-12 秒)激光脉冲研究超快化学反应。在西蒙的大力支持下，我成功地实现了用快速圆二色性光谱检测生物大分子结构变化的设想[1]，并以之作为我的博士论文。发明这项技术时我就用到了蔡生民教授之前讲解的锁相放大器。

随后我在芝加哥大学著名物理化学教授格雷厄姆·弗莱明(Graham Fleming)的实验室做了短暂的博士后。在那里，我初步明确了自己独立工作后的一个全新的研究方向——室温下单分子的荧光检测和成像。

1992年，我作为第一位来自中国大陆的科学家加入美国太平洋西北国家实验室(PNNL)，并组建了自己的独立实验小组，很快就实现了室温下单分子的荧光成像。PNNL所在的华盛顿州在冷战期间受到原子弹核废料和化学试剂的严重污染，美国能源部拟在PNNL兴建一个耗资2.5亿美元的“环境分子科学实验室”，希望从基础研究入手解决环境问题。

1998年，借助PNNL的良好条件和我实验室在荧光显微技术上的积累，我的博士后路洪(北大化学系本科毕业)与我在《科学》杂志上首次报道了用荧光显微镜实时观测到单个酶分子(生物催化剂)不断循环生化反应的动态过程[2]。这是一个具有突破性的工作——单分子的化学反应的发生是随机的，即化学反应发生所需的等待时间是随机分布的，而不像传统实验中大量分子的反应那样可被推测。而细胞中许多生物大分子，比如DNA，都以单分子的形式存在，因此实时观察到单分子化学反应为生物学研究提供了全新的重要方法。

同时我实验室还发明了一个无需荧光标记的拉曼光谱生物成像技术[3]。1928年印度科学家拉曼发现了以他名字命名的分子非弹性光散射现象，因此获得诺贝尔物理学奖。拉曼光谱可以测量分子的振动频率，然而拉曼散射信号极弱，需要很长的测量时间。后来激光和非线性光学的发展使得拉曼信号大幅增强，但技术上的困难限制了拉曼光谱在生物影像上的应用。我们的新方法使快速非线性拉曼生物成像成为现实。

细胞的拉曼光谱显示其中不同分子(水，脂肪，蛋白质，DNA)各自特征的化学键振动频率。但传统拉曼光谱弱信号，需要长时间收集(>0.1秒每个点，600x600 点成像需要 >10小时)。谢晓亮的发明最终实现了拉曼视频成像。

这两项工作成为我实验室迄今为止被引用次数最多的论文。一步步拾级而上，1998年，我被哈佛大学化学与化学生物系聘为终身教授。

哈佛大学的韦德纳图书馆旁边有一个来自中国的精美石雕赑屃，一个背着石碑的石兽。它是1936年哈佛三百年校庆时，由时任北大文学院院长的胡适与其他哈佛的中国校友捐赠而来[4]。碑文写到：“我国为东方文化古国，近30年来，就学于哈佛，学成归国服务国家社会者，先后达几千人，可云极盛。”

有趣的是当初招聘我到哈佛的化学与化学生物系主任吉姆·安德森(Jim Anderson)的父亲保罗·A·安德森(Paul A. Anderson)曾于1925年被司徒雷登任命为燕京大学第一届物理系主任，在燕园生活和工作了数年[5]。

哈佛大学化学与化学生物系人才济济，许多教授都是各自领域的顶级专家，更有四位诺贝尔奖得主在此工作。著名华人科学家庄小威后来也加入哈佛化学与化学生物系，我们成了好朋友。2013年，吉姆、庄小威和我一起参加了北京大学物理学院百年庆祝活动。

初到哈佛，我预感到单分子技术将会在生物学中有重要应用。虽然我在北大打下了很好的数理化基础，那时却还没学过分子生物学，所以我决定从头学习这门学科。于是，我与我实验室的学生一起旁听生物系的分子生物学课程。瑞驰·罗思科(Rich Losick)教授用虚拟的动画片来讲解RNA聚合酶以及核糖体等生物大分子的工作机理。在聆听教授生动的讲解时，我的脑海里已经在思考，如何通过实验直接观察到这些生物大分子进行基因表达的过程?这就需要在一个活细胞里面观察单个DNA分子的行为——一个细胞里基因的拷贝数是一或二。

2006年，通过三年的努力，我的两篇分子生物学方向的“处女作”在《科学》和《自然》杂志上同时发表。文章首次报道了活体细菌细胞中蛋白质分子一个一个随机产生的实时观察，数据与我们的理论相吻合，定量描述了分子生物学的中心法则[6,7]。文章产生了很大的学术影响，罗思科教授甚至开始在课堂上用我们实验的录像来讲解基因表达。这一工作使我进一步认识到学科交叉的重要性：新的物理和化学方法往往可以给生物学带来新的视角和新的发现，而对生命过程本质的了解非常需要定量实验和理论分析。

在不断分裂的大肠杆菌细胞中实时观测基因表达--每个黄色亮点标志着单个荧光蛋白分子的生成[6]

两篇文章发表后一周，盖茨基金会打电话邀请我申请资金，希望用我们的新技术来研究一小部分肺结核的细菌细胞产生抗药性的原因——那时肺结核每年可夺去数以百万计的非洲儿童的生命。来年比尔·盖茨(Bill Gates) 作为“最成功的辍学者”被授予哈佛的荣誉博士学位，他在毕业典礼上的致辞非常感人。后来他来我实验室交流，我感到他对相关分子生物学的理解颇深——想必与我一样也自学补过课，而令我没想到的是他竟然也熟悉我们实验时用的超快激光。虽然我们至今还没有解决那个抗药性的科学问题，但这个盖茨基金会的项目却为我带来了新的思考：能不能用我们基础研究的成果来造福社会?

科学研究需要好奇心和灵感，更需要不断的积累。而科研项目的选择至关重要——科研难就难在选择做什么和选择不做什么。能在别人之前做出好的选择不容易，特别是需要足够的资金和优秀的团队来完成时，往往很困难而且有风险。我认为不管是基础研究，还是技术开发，一个科研领导者的最大挑战就是选择和组织完成真正意义重大的科研项目。然而很多人往往不是在最初选题时下功夫，却大力吹嘘一些实际意义并不大的研究结果。

我们的第一个科研成果转化是把我们发明的无荧光标记非线性拉曼成像技术[3，8]应用在脑外科肿瘤切除手术中区分肿瘤边缘[9]。核磁成像可以看到大脑何处有肿瘤，但空间分辨率不足以看到细胞。脑外科医生手术中需要利用更高分辨率的光学显微镜，传统的技术是冷冻、切片，用两种染料H&E染色后光学成像，过程繁琐。而我们的快速拉曼光学成像技术看细胞无需标记，可以大幅度加快手术中肿瘤边缘的鉴别，现在已经被产品化并试用于脑外科医生们的手术中。

与此同时，正在发生的新一代测序仪的革命使得DNA测序的费用大幅下降，预示着个体化医疗的来临。我意识到做这样的工作才真正有意义，又恰好能用到我们的长处。于是我的实验室开始转型，从事单细胞基因组的研究，并于2011年研制出一种新型DNA测序仪[10]。

谈到转型，任何一个新的研究领域兴旺之后会饱和甚至过时，转型往往是一个科研领导者科研生涯中必需的。实验物理化学家所需要的仪器上的投资很大，我曾担心转型难。我很幸运能两次得到美国NIH先锋奖的资助，该奖大力支持高风险高回报的课题，使我渡过转型期相当长时间的逆境。

2012年，我们发明了一种叫MALBAC的单细胞DNA扩增技术，能为单个人体细胞进行DNA测序[11]。

在一个人体细胞的细胞核里有46条染色体，46条DNA分子，其中23条来自于父亲，23条来自于母亲。DNA有四种碱基A、T、C、G，A与T配对，C与G配对。一个人体细胞共有60亿个碱基对。这些碱基ATCG排列的序列决定了遗传信息，也就是基因组，人与人相比绝大部分碱基序列都是相同的，只有千分之一的碱基对是不同的。碱基序列的突变会导致遗传疾病或癌症。2001年人类基因组计划的完成是人类历史上的一个里程碑。当时测的基因组是几个人的综合，而不是一个人的。

不但每个人的基因组不一样，每个细胞的基因组也都不一样，因为基因组会随时间发生突变。但以前的技术不够灵敏和精准，无法让我们看到单细胞间的区别。MALBAC技术可以均匀地放大单个人体细胞的全基因组——60亿个碱基对中即使有一个突变都能被检测到。因为很多情况下，比如受精卵和血液中的循环肿瘤细胞，只有很少几个细胞存在，因此MALBAC技术在基础研究和临床医学中均有重要的应用。

我在哈佛最大的享受是与学生和博士后们夜以继日，同甘共苦的创新过程。他们中不少人比我幸运——在研究生和博士后期间就能做出许多重要的科研工作。我很欣慰他们现在已在世界上四十多所大学任教，很多人已经成为各自领域的专家或领军人物，比如堪萨斯大学的Bob Dunn、苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny、康斯坦茨大学的Andreas Zumbusch、鲍林格林州立大学的路洪、加州大学尔湾分校的Eric Potma、卧龙岗大学的 Antoine van Oijen、普林斯顿大学的杨皓、波士顿大学的程继新、康奈尔大学的陈鹏、加州理工学院的蔡龙、魏兹曼科学研究所的Nir Friedman、约翰霍普金斯大学的肖杰、康涅狄格大学的俞季、乌普萨拉大学的Johan Elf、中国科技大学的张国庆、哥伦比亚大学的闵玮和 Peter Sims、哈佛医学院的Conor Evans、斯坦福大学的Will Greenleaf、贝勒医学院的钟诚航、麻省理工学院的 Paul Blainey 和李劲苇、奥勒冈健康科学大学的南小林、华盛顿大学的傅丹、复旦大学的季敏标、清华大学的孔令杰、纽约州立大学的鲁法珂等等。

同时也涌现出把我们实验室的技术发明转化成产业的人才，比如MALBAC的发明人之一——陆思嘉获得博士学位后回国创业，将MALBAC技术用于在试管婴儿中避免遗传疾病;非线性拉曼成像发明人之一——Chris Freudiger毕业后将该技术产品化并促成了在脑外科手术中的应用。

2009年，哈佛任命我为Mallinckrodt化学和化学生物学讲席教授。然而，回归的种子早已在我心中萌芽。

怀北大情，圆中国梦

今年是中国改革开放四十周年。赴美后每次回国，我都为祖国翻天覆地的变化而震惊和感慨。感恩改革开放和我们所处的时代，让幸运的我们得以邂逅中国近现代以来最快的发展时期。2008年回国看奥运会，我为祖国健儿获得最多金牌而振奋，但同时也感到夺取科学技术的金牌还任重道远。

2001年，我被北大化学学院聘为客座教授;2009年，时任北大生命科学学院院长的饶毅教授也劝说我回北大工作。同年，北京大学聘我为“长江学者”讲座教授。后来，我与海归的苏晓东和黄岩谊教授共同向母校提出了建设成立北京大学生物动态光学成像中心(Biodynamic Optical Imaging Center, BIOPIC)的提案。这个提案得到了学校领导的大力支持。2010年12月BIOPIC正式成立。“BIOPIC”名字源于我之前在光学领域的单分子成像工作，旨在建立一个技术驱动型的生物医学研究中心——生命科学的发展特别需要研究手段的突破和多学科的交叉集成。我们最近将更名为“生物医学前沿创新中心”(Biomedical Pioneering Innovation Center)，仍称BIOPIC。

BIOPIC吸引了一批优秀的海外人才，汤富酬教授就是中心从剑桥大学聘请回来的第一个年轻海归学者，现已成为国内外引人注目的科研新秀。张泽民教授则是从美国加盟的癌症专家，他是国家****学者。八年过去了，中心的学者们已经发表了很多高质量的科学论文，从事生命科学领域世界前沿的研究，实现具有实际意义的医学应用。过去几年我一直往返于北大和哈佛之间，我在哈佛的团队和北大的团队紧密地合作。几年来，BIOPIC逐渐在单细胞基因组学领域达到了国际领先水平。

我的北大团队和北医三院乔杰团队、北大汤富酬团队合作，利用MALBAC技术，帮助那些携带单基因遗传疾病基因的父母通过试管婴儿的手段成功地拥有了健康的后代 [12]。没想到这项工作竟然让我在北大圆了单分子科学造福社会的梦。

目前已知有六千多种单基因遗传疾病。在患者的一个体细胞里，同一个基因有两个拷贝，分别来自其父方和母方，而致病基因一般只是两者之一。作为一个单分子的随机事件，患者的致病基因有50%的几率传给下一代，这本来是“命”!而我们的工作以精准战胜随机，利用MALBAC筛选和移植无致病基因的受精卵，避免了听天由“命”。

我至今仍然记得自己在2014年9月19日那天抱着第一例“MALBAC婴儿”时内心的那份激动。这项工作已经成为“精准医学”的范例。截至目前，国内MALBAC技术的应用已使几百例“MALBAC婴儿”成功避免了父母的单基因遗传疾病。我很自豪我们在北大的工作可以真正推动医学的进步，能为人类健康贡献一份力量。

2016年，在北京市政府支持下，北京大学成立北京未来基因诊断高精尖创新中心(Beijing Advanced Innovation Center for Genomics，ICG)，希望继续在基因组学相关领域做出更多世界领先的工作，造福百姓。

2018年毕业季到来，这是我20年来最后一次作为哈佛教授就座毕业典礼的主席台，很高兴这也是我的长子哈佛本科毕业的毕业典礼。我还参加了两个女儿的高中毕业典礼，她们也都要上大学了。很欣慰孩子们已经长大成人，这样我可以安心回北大继续我的科学研究事业。

动笔撰文之际，正值今年未名湖冰场又开放之时，让我回想起在学生时代，寒冬之日，同学们争先恐后在未名湖上滑冰的情景。而自己在未名湖冰面上纵情驰骋时的喜悦，至今难忘：从童年、大学、直到现在，滑冰和滑雪是我最喜爱的运动——北大亦赋予了我相伴终生的爱好!如今，看着新一代的学子驰骋于冰场之上，我又不禁回想起那青春的八十年代——每个时代北大青年的样子，亦是北大的样子!

作者简介

谢晓亮：生物物理化学家，美国国家科学院院士、美国国家医学院院士、美国艺术与科学院院士、中国科学院外籍院士。1962年生于北京，1984年本科毕业于北京大学化学系，1990年在美国加州大学圣地亚哥分校获博士学位，在芝加哥大学完成博士后研究后到美国太平洋西北实验室工作。1998年被哈佛大学聘为化学和化学生物系终身教授，2009-2018年任哈佛Mallinckrodt讲席教授。2010年起在北大任生物动态光学成像中心主任，2016年起任北京未来基因诊断高精尖创新中心主任。2018年7月起任北京大学李兆基讲席教授。

内容来源：北京大学新闻中心，《精神的魅力2018》，北京大学出版社2018年5月第1版(内容略有修改)